[读懂科学]或致“互联网崩溃”的中国惊人实验结果

Published 10 Jan.2023 10:12(KST)

Updated 17 Apr.2023 15:23(KST)

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中国研究团队用入门级量子计算机成功破解大型RSA加密
上个月在论文共享网站公开研究结果
自然： “量子计算机最终将摧毁互联网”

[亚洲经济记者 Kim Bong-su] 从理论上讲，量子计算技术可以实现极其快速的运算，从而使现存的一切密码体系失去作用。比如，如果有人秘密研制出量子计算机，解开美国核武器的密码密钥，或者窃取比特币密码，会怎样？这将演变成最恶劣的“恐怖袭击”。这正是“量子计算机可能引发人类文明危机”这一主张的依据。近期，中国一支研究团队仅凭性能还处于初级阶段的量子计算机，就发表了似乎能够破解现有计算机密码体系的技术，引发关注。

10日，国际学术期刊《自然》(Nature)报道称，中国北京量子信息科学研究院研究团队于上月在预印本共享网站arXiv上传了相关论文。现有计算机普遍采用公开密钥加密方式RSA。这种利用质因数分解的加密方式，即便用超级计算机来破解，也需要1万年以上，被认为十分安全。但科学家预测，如果开发出为超高速运算优化的量子计算机，从理论上讲，仅需2分钟就能将其破解。

目前量子计算机的研制仍处于初期阶段，预计要发展到足以使RSA加密方式失效，还需要相当长的时间。不过，20世纪90年代，美国麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology)数学系教授 Peter Shor 开发了“Shor算法”，证实如果利用量子的物理特性，能够执行远远优于经典计算机的运算任务。传统数字比特(Bit)无论如何改进晶体管来提升速度和容量，由于电信号通路只有一条，要同时处理海量信息时，瓶颈现象在所难免。而利用量子纠缠、叠加现象的量子比特(Qubit)的量子计算机，则拥有无数条通路，能够一次性处理包含大量变量的运算。利用质因数分解的加密密钥，数字越大越难分解，传统冯·诺依曼结构计算机需要数万年，而量子计算机却能在几分钟内完成，这就是原因所在。

目前运算速度最快的量子计算机，是IBM去年11月发布的“Osprey”芯片，已知其规模为433量子比特。科学家预测，如果开发出规模超过其两倍的1000量子比特级以上量子计算机，就有可能在短时间内完成足以破解RSA密码体系的运算。然而，要提升量子计算机的性能和速度，必须让量子完全不受光、重力、温度等任何干扰。以当前技术水平来看，这类设备必然像20世纪50年代初期的计算机“ENIAC”那样，体积达到建筑物级别，并需要投入大量设备和能源，以及特殊的运行技术。如何在不进行观测或干扰的情况下读出量子芯片的运算结果，同样是一大难题。

在这种背景下，北京量子信息科学研究院研究团队提供了仅凭初级水平量子计算机就能使现有RSA密码体系失效的线索。研究团队并未采用Shor算法，而是使用Schnorr算法来提出破解RSA密码体系的方案。Schnorr算法是德国歌德大学数学系教授 Klaus Schnorr 设计的一种应用整数因数分解的算法，是在虚拟货币等领域用于数字签名的一种密码体系。研究团队采用其所谓的“量子近似优化算法”(quantum approximate optimization algorithm，QAOA)的方法，在量子计算机上实现了Schnorr算法流程的部分步骤。

虽然仍需经过同行评议，但研究团队在论文中声称，利用这一方法，使用372量子比特的量子计算机，就能攻破拥有600位以上素数位数的高强度RSA密钥。在实际实验中，为避免错误发生，他们使用10量子比特的量子计算机，对一串15位的大数(261兆9809亿9922万6229)进行了质因数分解计算，并成功求得答案(1553万8213×1686万433)。研究团队表示：“虽然这一数字仍小于现代网页浏览器所使用的加密密钥，但这是迄今为止通过量子计算机计算出的规模最大的一组数字。”

科学界认为，即便此次北京量子信息科学研究院研究团队的实验尚不充分、也尚未得到验证，但已经足以被视为量子计算时代即将到来的信号。